O que é NVMe?

SSDs NVMe podem oferecer tempos de resposta mais rápidos do que os discos rígidos tradicionais (HDDs) devido a mudanças no driver do dispositivo que permitem paralelismo e polling. Esses aprimoramentos ajudam a reduzir a latência e os tornam ideais para cargas de trabalho corporativas e aplicações de consumo e profissionais. Essa versatilidade abrange uma ampla gama de setores, desde jogos e tecnologias móveis até plataformas de comércio eletrônico, finanças e saúde.

A demanda atual por soluções de armazenamento escaláveis e de alto desempenho continua crescendo. Em um relatório da Pesquisa and Markets, o mercado global de NVMe foi avaliado em US$ 212 bilhões em 2024. Prevê-se que o valor atinja US$ 888,9 bilhões até 2030, crescendo a uma taxa composta de crescimento anual (CAGR) de 27% de 2024 a 2030.¹

A inteligência artificial (IA), a análise de big data e as aplicações de Internet das coisas (IoT) estão impulsionando essa expansão, com o NVMe e outras tecnologias permitindo a velocidade e a eficiência que essas cargas de trabalho exigem.

A NVMe foi desenvolvida de 2008 a 2011 para substituir os protocolos Serial Advanced Technology Attachment (SATA) e Serial Attached SCSI (SAS). As melhorias da NVMe em relação a seus concorrentes a tornaram o padrão do setor para armazenamento de alta velocidade.

Hoje, os usuários exigem tempos de resposta mais rápidos do que nunca em suas aplicações. O protocolo NVMe foi criado para proporcionar uma experiência de última geração, de alto desempenho, alta largura de banda e baixa latência, independentemente do tipo de aplicação que um usuário esteja implementando.

Os SSDs NVMe acessam o armazenamento flash principalmente por meio de um barramento Peripheral componente Interconnect Express (PCIe) que remove o controlador "intermediário". No entanto, a NVMe também pode ser executada em qualquer tipo de interconexão de "malha" (NVMe-oF) — como Fibre Channel e Ethernet — e dentro de Ethernet, iWarp, RoCEv2, iSER e NVMe-TCP.

Os SSDs NVMe podem executar dezenas de milhares de filas de comandos paralelas. Elas também podem executar programas em velocidades mais rápidas do que unidades conectadas usando o protocolo SCSI, que pode implementar apenas uma única fila de comandos. O método de conexão é independente do protocolo. Por exemplo, SSDs PCIe que usam NVMe podem conectar uma única unidade com um link PCIe executando o protocolo NVMe.

A NVMe foi desenvolvida para mídia de armazenamento não volátil de alto desempenho, tornando-a ideal para os ambientes exigentes e de uso intenso de computação de hoje, como software de edição gráfica, ambientes de computação em nuvem, firmware e grandes bancos de dados. A NVMe lida com cargas de trabalho empresariais de forma rápida e eficiente, com uma pegada de infraestrutura menor e menos consumo de energia que o SCSI.

As unidades de non-volatile memory express (NVMe) e de estado sólido (SSDs) são frequentemente usadas para descrever dois tipos diferentes de unidades. No entanto, são tipos distintos de tecnologia de armazenamento de dados que podem ser usados para aprimorar um ao outro. 

Os SSDs são dispositivos de armazenamento baseados em semicondutores que dependem de memória flash para armazenar dados persistentes em sistemas de computação. Em um SSD, cada chip de memória é criado a partir de blocos que contêm células (também conhecidas como páginas ou setores) que contêm bits de memória. Ao contrário do armazenamento magnético, como HDDs e unidades de disquete que armazenam dados usando ímãs, os SSDs usam chips NAND. Essa tecnologia de armazenamento não volátil não exige energia para manter os dados.

Todos os dispositivos NVMe são SSDs. No entanto, nem todos os SSDs usam a tecnologia PCIe; alguns SSDs ainda usam as interfaces SATA e SAS mais antigas, originalmente projetadas para dispositivos HDD.

Para saber mais, confira SSD versus NVMe: qual é a diferença?

Quando as unidades de disco rígido (HDDs) eram o método preferido do setor para armazenar e acessar dados, SATA e SAS eram as soluções apropriadas. O SATA (Serial Advanced Technology Attachment) foi projetado para conectar dispositivos de armazenamento que usam o protocolo ATA, enquanto o SAS (Serial Attached SCSI) foi projetado como uma interface baseada em SCSI. Ambos foram otimizados para a natureza mecânica dos HDDs.

Até recentemente, a maioria dos SSDs utilizava SAS ou SATA para se conectar ao restante de um sistema computacional. No entanto, com o crescimento da tecnologia de estado sólido em todo o setor de armazenamento, o SAS e o SATA se tornaram mais complicados porque foram projetados para HDDs.

Por fim, o NVMe foi projetado especificamente para SSDs, e seu protocolo é mais otimizado que o SCSI, tornando-se uma solução melhor para aplicações em tempo real, como aprendizado de máquina (ML) e IA.

Com a crescente popularidade da computação em nuvem, a NVMe é compatível com ambientes de armazenamento em nuvem híbrida, multinuvem e mainframe devido a seus recursos integrados de alto desempenho e funcionalidade de proteção de dados.

A NVMe (non-volatile memory express) foi inventada como uma melhor opção de armazenamento e transferência de dados do que o SATA para SSDs em ambientes onde grandes transferências de dados eram necessárias sem reduzir o tempo de processamento. 

A NVMe permite que os SSDs se conectem diretamente à CPU por meio do barramento PCIe e de um adaptador M.2 ou U.2, assim como acontece com uma unidade SATA. A NVMe permite que SSDs se conectem diretamente à CPU por meio da interface PCIe, possibilitando que leiam e gravem grandes volumes de dados rapidamente.

Para obter maior desempenho, a NVMe define uma interface de registro, conjunto de comandos e grupo de funcionalidades para SSDs baseados em PCIe. Quando conectado através do barramento PCIe, o protocolo NVMe facilita a latência mais baixa e ajuda a otimizar as operações de E/S por segundo (IOPS). As unidades NVMe atuais usam PCIe Gen 4 ou Gen 5, permitindo o desempenho máximo.

Os drivers NVMe são compatíveis com diversos tipos de sistemas operacionais (SO), incluindo Windows, Linux e macOS. Por fim, o protocolo NVMe é compatível com todos os tipos de NVM, incluindo SSDs habilitados para flash NAND. Além disso, a NVMe usa filas de comandos paralelas e um "ciclo de pesquisas" em vez do driver baseado em "interrupção" de seus antecessores. Essa abordagem reduz a latência e as sobrecargas do sistema, ajudando a evitar gargalos de CPU e melhorar o rendimento geral.

Outro diferencial importante das especificações da NVMe é seu fator de forma, ou a forma como o tamanho, a configuração e o projeto físico afetam sua compatibilidade com outros dispositivos. Em 2020, a Storage Networking Industry Association (SNIA) se reuniu para estabelecer o Enterprise and Datacenter Standard Form Factor (EDSFF) e criar um framework acordado em todo o setor para a tecnologia SSD.

O fator de forma padrão acordado para um SSD é de 2,5 polegadas, que se encaixa facilmente no compartimento de unidade da maioria dos notebooks e desktops, tornando os SSDs NVMe altamente compatíveis com a tecnologia existente. Como a unidade de 2,5 polegadas é amplamente utilizada em ambientes de computação de consumo e comerciais, substituir um HDD por um NVMe SSD é simples e direto para usuários que desejam atualizar o desempenho de seus sistemas.

Um dos fatores de forma mais utilizados para SSDs, o M.2 é um padrão de conector físico. Embora o termo seja frequentemente usado em discussões com unidades baseadas em NVMe, NVMe, nesse contexto, refere-se ao fator de forma físico em vez do protocolo em si.

Os SSDs NVMe podem ser conectados a um slot PCIe em uma placa de sistema para desempenho máximo. No entanto, o M.2 é um formato compacto que permite o armazenamento de alto desempenho em dispositivos finos e leves, como notebooks e tablets.

Para uma explicação mais detalhada sobre NVMe e M.2, leia: NVMe versus M.2: qual é a diferença?

A memória de acesso aleatório dinâmico (DRAM) é um tipo amplamente utilizado de memória RAM, presente em computadores pessoais (PCs), servidores e estações de trabalho. Os SSDs NVMe vêm em variedades de DRAM e sem DRAM. 

Os SSDs NVMe com DRAM são mais caros e rápidos do que os sem DRAM, sendo uma melhor opção para aplicações que exigem intensivamente gráficos, como software de edição de fotos ou vídeos. NVMe sem DRAM são mais acessíveis e mais lentas, mas ainda assim muito mais rápidas do que HDDs ou SSDs SATA . Esses aspectos os tornam boas opções para usuários que não precisam de tanta velocidade ou desempenho para as aplicações que estão executando.

A NVMe-oF (non-volatile memory express over fabrics) é uma especificação de protocolo que conecta hosts ao armazenamento compartilhado com malhas de rede (por exemplo, Ethernet, Fibre Channel, RDMA), permitindo comunicação de alta velocidade e baixa latência.

Enquanto o NVMe se conecta diretamente via PCIe com uma única unidade e um host, servidores NVMe over Fabrics funcionam entre redes com maior alcance. A NVMe-oF não substituiu a NVMe, mas a complementa, permitindo o desempenho da NVMe em relação ao armazenamento compartilhado conectado à rede.

Aqui estão alguns dos principais benefícios do armazenamento NVMe em relação às unidades SSD SAS ou SATA:

• Melhor desempenho: a tecnologia NVMe pode usar um conector PCIe para conectar o armazenamento SSD diretamente a um servidor ou unidade central de processamento (CPU). Essa melhoria significativa no desempenho do NVMe o tornou a opção preferida para armazenamento e transferência de dados por jogadores, editores de vídeo e outros usuários que exigem um desempenho superior ao oferecido por HDDs SAS ou SATA.

• Maior velocidade: as unidades NVMe podem oferecer velocidades superiores às das unidades SAS ou SATA, pois conseguem enviar e receber comandos NVMe mais rapidamente e proporcionar uma taxa de transferência melhor.

• Maior compatibilidade: a NVMe oferece desempenho significativo em relação ao SAS/SATA e é frequentemente atualizada para compatibilidade com tecnologias críticas e de rápida evolução, como IA, ML e computação em nuvem. Ela é compatível com sistemas operacionais (SO) modernos, incluindo plataformas móveis, e é usada em notebooks e consoles de jogos.

• Largura de banda aprimorada: a conexão PCIe é mais ampla e tem mais largura de banda do que as portas SAS ou SATA. Ela também melhora com cada geração, dobrando a largura de banda da geração anterior. O SAS e o SATA têm conexões de largura de banda menores e são fixos; portanto, não melhoram ao longo do tempo. Outra funcionalidade que distingue as conexões PCIe é que elas são escaláveis em "faixas", e portanto, mesmo na mesma geração, os usuários podem dobrar a largura de banda com o dobro do número de faixas. Para um mergulho mais profundo em NVMe e SATA, confira "NVMe versus SATA: qual é a diferença?

A baixa latência da NVMe, sua eficiência energética e sua capacidade de armazenar e transferir dados a uma taxa mais rápida do que as unidades SAS e SATA a tornam uma ótima opção para uso comercial e de consumo. Além de impulsionar o desempenho e a capacidade de armazenamento de dados, os SSDs NVMe estão mais amplamente disponíveis do que os SSDs SAS ou SATA e estão disponíveis em empresas de consumo, incluindo Intel e Samsung.

Aqui estão alguns casos de uso comuns da NVMe.

A alta velocidade, programabilidade e capacidade de lidar com processamento paralelo do NVMe o tornam ideal para uma ampla gama de aplicações de computação de alto desempenho (HPC ), incluindo negociação de alta frequência, IA e ML.

Muitas aplicações de ponta exigem uma grande profundidade de filas para armazenamento. Ao contrário de seus antecessores SAS/SATA , a NVMe pode manter até 65.000 filas e comandos por fila, permitindo que muito mais comandos sejam processados simultaneamente. 

Os SSDs NVMe ajudam os data centers a expandir sua capacidade de armazenamento de dados e oferecer maior desempenho por um preço comparável aos SSDs SATA, levando muitas empresas modernas a fazer a mudança.

De acordo com um relatório do Enterprise Strategy Group, quase três quartos das organizações estão usando ou planejam implementar SSDs baseados em NVMe nos próximos 12 meses².

Quer alguém esteja editando um vídeo de uma reunião familiar ou trabalhando em um filme de animação, as taxas de transferência de dados mais rápidas da NVMe aceleram drasticamente a edição de vídeo. Simplificando, editar e renderizar uma cena no software de edição de vídeo gera muitos dados. Um SSD NVMe pode lidar com todos esses dados sem tornar o processo mais lento.

A implementação de NVMe em aplicações de DevOps conteinerizadas reduziu o tempo de grandes builds e acelerou as iterações de programação para muitos desenvolvedores. 

A NVMe também está tornando o desenvolvimento mais rápido e mais barato, ajudando as equipes a iniciar aplicativos mais rapidamente com uma ampla variedade de ferramentas à sua disposição.

Sistemas baseados em NVMe aceleram o desempenho das aplicações e reduzem o número de servidores físicos necessários para bancos de dados relacionais, permitindo que as organizações processem consultas de forma mais eficiente e com custos de infraestrutura menores.

Em ambientes virtualizados (por exemplo, VMware, VDI), a NVMe reduz a latência de armazenamento e elimina gargalos de E/S que ocorrem quando várias máquinas virtuais (VMs) competem por recursos de armazenamento.

Além disso, a NVMe possibilita o processamento de milhares de comandos de uma só vez, o que possibilita que os servidores sejam compatíveis com mais VMs, mantendo a velocidade e a confiabilidade.

Os SSDs NVMe de alta velocidade aceleram o treinamento de ML e modelos de IA por fornecer acesso rápido a grandes conjuntos de dados. Isso é compatível com o processamento de linguagem natural (NLP) e a análise preditiva de dados, onde a tomada de decisão em tempo real é necessária para cargas de trabalho relacionadas a diagnósticos médicos baseados em IA e modelagem financeira.